cw.91 - Badanie zewn©trznego zjawiska fotoelektrycznego, EDUCATION, PWR, FizykaLab


0x01 graphic

Wydział Elektroniki Politechniki Wrocławskiej

Laboratorium fizyki ogólnej

Wykonał

Pirosz Paweł

Grupa

5

Ćw. nr

91

Prowadzący

mgr Anna Wróbel

Badanie zewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego.

Data wykonania

98.03.16

Data oddania

98.03.23

Ocena

CEL ĆWICZENIA:

Wyznaczenie prądowo - napięciowej charakterystyki fotokomórki dla kilku wartości strumienia padającego na fotokatodę, sprawdzenie liniowej zależności prądu fotoelektrycznego od wartości strumienia promieniowania padającego na fotokatodę, wyznaczenie czerwonej granicy fotoefektu i pracy wyjścia elektronu z fotokatody oraz wyznaczenie stałej Plancka.

WSTĘP:

Zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym nazywamy uwalnianie elektronów z powierzchni substancji pod wpływem padającego na nią światła. Po oświetleniu katody światłem o częstotliwości f większej niż pewna, charakterystyczna dla danego materiału wartość graniczna fgr, w układzie popłynie prąd elektryczny (tzw. fotoprąd). Pojawienie się fotoprądu wywołane jest emisją elektronów z powierzchni katody. Aby elektron mógł opuścić metal należy dostarczyć mu pewną minimalną wartość energii, którą nazywamy pracą wyjścia. W tym przypadku energię tę elektron uzyskuje w wyniku absorpcji energii fali elektromagnetycznej, przez co uzyskuje on energię E=hf. Jeżeli energia ta była mniejsza niż praca wyjścia W, to elektron nie może opuścić katody i w układzie nie popłynie prąd, mimo oświetlenia katody. Przy stałym oświetleniu katody, wzrost różnicy potencjałów U pomiędzy katodą a anodą powoduje początkowo wzrost wartości fotoprądu, a następnie wartość fotoprądu ulega nasyceniu. W zakresie nasycenia wartość fotoprądu jest wprost proporcjonalna do oświetlenia powierzchni i nie zależy od innych parametrów.

Zjawisko fotoelektryczne opisuje równanie Einsteina:

hf = W + Ek

gdzie Ek = hfgr= hc/λgr jest energią kinetyczną elektronu.

WYKAZ PRZYRZĄDÓW :

W podpunkcie 1 i 2 ćwiczenia:

W podpunkcie 3 i 4 ćwiczenia:

PRZEBIEG ĆWICZENIA :

1. Badanie zależności natężenia prądu fotoelektrycznego od oświetlenia fotokatody.

0x08 graphic
0x08 graphic

Tabela 1. Wyniki oraz błędy pomiaru prądu przy zmiennej odległości

R

1/r2

I

R

I

δ I

[ m ]

[ 1/m2 ]

[ A]

[ 1/m2 ]

[ A]

[ % ]

0,20

25,00

7,00

0,250

0,075

1

0,25

16,00

4,00

0,128

0,075

2

0,30

11,11

2,50

0,074

0,075

3

0,35

8,16

1,75

0,047

0,075

4

0,40

6,25

1,25

0,031

0,075

6

0,45

4,94

1,00

0,022

0,075

8

0,50

4,00

0,88

0,016

0,075

9

0,55

3,31

0,75

0,012

0,075

10

0,60

2,78

0,50

0,009

0,075

15

0,65

2,37

0,50

0,007

0,075

15

0,70

2,04

0,38

0,006

0,075

20

0,75

1,78

0,38

0,005

0,075

20

0,80

1,56

0,25

0,004

0,075

30

0,85

1,38

0,25

0,003

0,075

30

0,90

1,23

0,25

0,003

0,075

30

0,95

1,11

0,25

0,002

0,075

30

1,00

1,00

0,25

0,002

0,075

30

0x08 graphic
Pomiary przy U=100 [ V ].

Wykres 1

Zależność natężenia fotoprądu od wartości strumienia promieniowania (proporcjonal-nego do 1/r2)

Przy rysowaniu wykresu użyto programu komputerowego regresja.exe, który wyzna-czył:

y = 0,27x - 0,21

δa = 0,01 , δb = 0,06

2. Wyznaczenie charakterystyki fotokomórki.

Zmieniając wartość napięcia (schemat jak w pkt. 1) odczytujemy wartość prądu.

0x08 graphic
Tabela 2. Wyniki i błędy pomiarów U i I dla r=20cm

U

I

U

δU

I

δI

[ V ]

[ A ]

[ V ]

[ % ]

[ A ]

[ % ]

1,2

0,63

0,02

1,3

0,075

11,9

2,1

1,25

0,02

0,7

0,075

6,0

3,1

1,75

0,04

1,2

0,075

4,3

4,1

2,25

0,04

0,9

0,075

3,3

5,2

2,75

0,04

0,7

0,075

2,7

6,2

3,25

0,04

0,6

0,075

2,3

7,2

3,50

0,04

0,5

0,075

2,1

8

3,75

0,15

1,9

0,075

2,0

10

4,00

0,15

1,5

0,075

1,9

20

5,50

0,15

0,8

0,075

1,4

25

6,00

0,15

0,6

0,075

1,3

30

6,25

0,15

0,5

0,075

1,2

40

6,75

0,38

0,9

0,075

1,1

50

6,88

0,38

0,8

0,075

1,1

60

7,00

0,38

0,6

0,075

1,1

70

7,00

0,38

0,5

0,075

1,1

80

7,00

1,50

2,8

0,075

1,1

90

7,00

1,50

2,5

0,075

1,1

100

7,00

1,50

2,3

0,075

1,1

0x08 graphic
Wykres 2. Charakterystyka prądowo - napięciowa fotokomórki

0x08 graphic
Tabela 3. Wyniki i błędy pomiarów U i I dla r=40cm

U

I

U

δU

I

δI

[ V ]

[ A ]

[ V ]

[ % ]

[ A ]

[ % ]

1,1

0,25

0,02

1,4

0,075

30,0

2,1

0,50

0,02

0,7

0,075

15,0

3,1

0,50

0,04

1,2

0,075

15,0

4,1

0,75

0,04

0,9

0,075

10,0

5,2

0,75

0,04

0,7

0,075

10,0

6,2

0,88

0,04

0,6

0,075

8,6

7,1

1,00

0,04

0,5

0,075

7,5

8,2

1,00

0,15

1,8

0,075

7,5

9,1

1,00

0,15

1,6

0,075

7,5

10,0

1,00

0,15

1,5

0,075

7,5

20,0

1,13

0,15

0,8

0,075

6,7

30,0

1,13

0,15

0,5

0,075

6,7

40,0

1,13

0,38

0,9

0,075

6,7

50,0

1,13

0,38

0,8

0,075

6,7

60,0

1,13

0,38

0,6

0,075

6,7

70,0

1,13

0,38

0,5

0,075

6,7

80,0

1,13

1,50

1,9

0,075

6,7

90,0

1,13

1,50

1,7

0,075

6,7

100,0

1,13

1,50

1,5

0,075

6,7

0x08 graphic
0x08 graphic
Wykres 3. Charakterystyka prądowo - napięciowa fotokomórki

0x08 graphic
Tabela 4. Wyniki i błędy pomiarów U i I dla r=30cm

U

I

U

δU

I

δI

[ V ]

[ A ]

[ V ]

[ % ]

[ A ]

[ % ]

1,1

0,3

0,02

1,4

0,075

30,0

2,2

0,6

0,02

0,7

0,075

12,0

3,1

1,0

0,02

0,5

0,075

7,5

4,1

1,1

0,05

1,5

0,075

6,7

5,1

1,3

0,05

1,1

0,075

6,0

6,1

1,4

0,05

0,9

0,075

5,5

7,2

1,5

0,05

0,7

0,075

5,0

10,2

1,9

0,15

2,1

0,075

4,0

20,0

2,3

0,15

1,5

0,075

3,3

30,0

2,5

0,15

0,8

0,075

3,0

40,0

2,5

0,38

1,3

0,075

3,0

50,0

2,6

0,38

0,9

0,075

2,9

60,0

2,6

0,38

0,8

0,075

2,9

70,0

2,6

0,38

0,6

0,075

2,9

80,0

2,6

1,50

2,1

0,075

2,9

90,0

2,6

1,50

1,9

0,075

2,9

100,0

2,6

1,50

1,7

0,075

2,9

0x08 graphic
Wykres 4. Charakterystyka prądowo - napięciowa fotokomórki

3. Wyznaczenie czerwonej granicy zjawisko fotoelektrycznego oraz pracy wyjścia elektronów z powierzchni materiału fotokatody.

0x08 graphic

Zmieniając wartość długości fali promieniowania elektromagnetycznego, w zakresie światła widzialnego, odczytujemy wartość prądu z mikroamperomierza. Wartość , dla której prąd jest równy 0 jest czerwoną granicą zjawiska fotoelektrycznego.

Tabela 5. Wyniki i błędy pomiarów I i  dla U=67 V

I



I

δI

0x08 graphic
[ nm ]

[ nA ]

[ nm ]

[ nA ]

[ % ]

700

2,3

1

0,2

8,7

680

2,4

1

0,2

8,5

660

2,4

1

0,2

8,3

640

2,6

1

0,2

7,7

620

3,6

1

0,2

5,6

600

7,6

1

0,2

2,6

580

13,8

1

0,6

4,4

560

18,5

1

0,6

3,2

540

23,0

1

0,6

2,6

520

24,5

1

0,6

2,4

500

23,0

1

0,6

2,6

480

20,0

1

0,6

3,0

460

17,0

1

0,6

3,5

440

14,0

1

0,6

4,3

420

11,0

1

0,6

5,5

400

8,0

1

0,2

2,5

380

4,6

1

0,2

4,3

360

3,5

1

0,2

5,7

340

2,6

1

0,2

7,7

Odczytując z wykresu wartość 0 możemy wyznaczyć wartość pracy wyjścia ze wzoru:

0x01 graphic

0x08 graphic
Wykres 5. Zależność natężenia fotoprądu od długości fali padającego światła monochromatycznego.

Wartość 0 odczytana z wykresu wynosi 640 ± 20[nm]. Zatem praca wyjścia wynosi:

0x01 graphic

W=1,94 [eV]

Z różniczki zupełnej mamy:

0x01 graphic

Po podstawieniu danych otrzymujemy:

W = 9,710-21 [ J ]

W = 0,07 [ eV ]

4. Wyznaczenie stałej Plancka

0x08 graphic

Zmieniając wartość napięcia odczytujemy wartość fotoprądu. Napięcie, przy którym prąd jest równy zeru, jest napięciem hamującym przy danej częstotliwości (długości fali) światła.

0x08 graphic
Tabela 6. Wyniki i błędy bezwzględne pomiarów prądu i napięcia dla =520nm

U

I

U

δU

I

δI

[ V ]

[ nA ]

[ V ]

[ % ]

[ nA ]

[ % ]

1,06

0,12

0,005

0,5

0,02

16,7

0,98

0,12

0,005

0,5

0,02

16,7

0,82

0,12

0,005

0,6

0,02

16,7

0,7

0,11

0,005

0,7

0,02

18,2

0,63

0,1

0,005

0,8

0,02

20,0

0,5

0,09

0,005

1,0

0,02

22,2

0,4

0,04

0,005

1,3

0,02

50,0

0,3

0,06

0,005

1,7

0,02

33,3

0,2

0,21

0,005

2,5

0,02

9,5

0,1

0,48

0,005

5,0

0,02

4,2

0

0,88

0,005

-

0,02

2,3

0x08 graphic

Wykres 6.

Zależność fotoprądu od napięcia przyłożonego do fotokomórki dla światła o długości fali 520 nm

0x08 graphic
Tabela 7. Wyniki i błędy bezwzględne pomiarów prądu i napięcia dla =500nm

U

I

U

δU

I

δI

[ V ]

[ nA ]

[ V ]

[ % ]

[ nA ]

[ % ]

1,1

0,12

0,015

0,5

0,02

16,7

0,9

0,12

0,005

0,6

0,02

16,7

0,81

0,12

0,005

0,6

0,02

16,7

0,7

0,11

0,005

0,7

0,02

18,2

0,61

0,1

0,005

0,8

0,02

20,0

0,51

0,08

0,005

1,0

0,02

25,0

0,41

0,03

0,005

1,2

0,02

66,7

0,31

0,08

0,005

1,6

0,02

25,0

0,21

0,24

0,005

2,4

0,02

8,3

0,12

0,46

0,005

4,2

0,02

4,3

0

0,8

0,005

-

0,02

2,5

0x08 graphic

Wykres 7.

Zależność fotoprądu od napięcia przyłożo-nego do fotokomórki dla światła o długości fali 500 nm

Z powyższych wykresów można odczytać, że napięcie blokujące (dla prądu równego 0, chociaż takiej wartości nie stwierdzono) wynosi: U01=0,41 V dla =500 nm oraz U02=0,4V dla =520 nm.

Ze wzoru 0x01 graphic
wyznaczymy wartości częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego odpowiadające poszczególnym długościom fali. Wynoszą one odpowiednio:

0x01 graphic
0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic

Z różniczki zupełnej obliczamy błędy f1 i f2 (przyjmując wartość błędu 1 i 2 odpowiadajcą szerokości spektralnej szczeliny wyjściowej monochromatora równej ok. 10 nm):

0x01 graphic
0x01 graphic

f1 = 0,1201014 [Hz] f2 = 0,1111014 [Hz]

0x08 graphic
U0=f(f)

Wykres 8.

Zależność napięcia hamującego w funkcji częstotliwości fali światła

Następnie ze wzoru 0x01 graphic
obliczymy stałą Plancka, która po podstawieniu danych ma wartość:

0x01 graphic

Z różniczki zupełnej obliczamy błąd h:

0x01 graphic

0x01 graphic

Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymujemy:

h = 6,25610-34 [Js]

gdzie: U01=U02=0,04 [V] (wartości odczytane z wykresów 6 i 7); e=1,6022⋅10-19 [C]

WNIOSKI I UWAGI:

Celem pkt. 1 ćwiczenia było wyznaczenie zależności fotoprądu od strumienia, padającego na anodę fotokomórki, światła. Zmiana strumienia realizowana była poprzez zmianę odległości źródła światła od fotokomórki. Na podstawie wyników i z wykresu nr 1 można potwierdzić, że zależność ta jest liniowa. Błędy wynikające przede wszystkim z klasy miernika, paralaksy i dokładności ustawienia żądanej odległości nie powodują znaczącej zmiany kształtu charakterystyki (jej kształt był wyznaczany z regresji liniowej).

0x08 graphic
W pkt. 2 ćwiczenia wyznaczaliśmy charakterystykę zależności fotoprądu od napięcia przyłożonego między anodę i katodę fotokomórki dla trzech różnych wartości strumienia światła (realizowaną podobnie jak w pkt. 1 poprzez zmianę odległości lampy od fotokomórki - dla r=20, 30 i 40 cm). Zależność ta nie jest liniowa (wykresy 2, 3 i 4), choć z początku wzrostowi napięcia towarzyszy wzrost fotoprądu, które dla pewnej wartości U ulega nasyceniu. Jednocześnie można zauważyć, że prąd nasycenia rośnie wraz ze wzrostem natężenia (strumienia) oświetlenia (im mniejsza odległość lampy oświetlającej anodę, tym większy prąd), co ilustruje poniższy wykres.

Dla r=20cm prąd nasycenia wynosi 7A, dla r=30cm - 2,6A, dla r=40cm - 1,13A (dane z wykresu). Jednocześnie im większy strumień świetlny, tym większe napięcie potrzebne, aby osiągnąć prąd nasycenia. Błędy spowodowane klasą mierników nie mają większego wpływu na uzyskane charakterystyki.

W pkt. 3 ćwiczenia wyznaczaliśmy czerwoną granicę zjawiska fotoelektrycznego oraz pracę wyjścia elektronów. Z wyników, jak i z wykresu 5 można odczytać długość fali 0, przy której jeszcze zachodzi zjawisko fotoelektryczne (w naszym przypadku ok. 640 nm). Jest to długość fali odpowiadająca zerowemu fotoprądowi. W tym przypadku prąd ten nie osiągał 0 (choć do niego dążył). Wpływ na to może mieć dodatkowe światło dochodzące do fotokomórki, a nie pochodzące z monochromatora, jak również, choć w mniejszym stopniu, błędy przyrządów pomiarowych. Wyznaczona ze wzoru W=hc/0 praca wyjścia wynosi 1,94 ± 0,07 eV. Jej wartość jest najbardziej zbliżona do wartości pracy wyjścia elektronu z powierzchni potasu (dane tabelaryczne ze skryptu). Można zatem wywnioskować, że jest to materiał, z którego wykonana została anoda fotokomórki.

W pkt. 4 ćwiczenia wyznaczaliśmy stałą Plancka. Jest ona współczynnikiem kierunkowym prostej w układzie (U0, f). Wartość tej stałej wyliczona na podstawie pomiarów (6,936⋅10-35 Js) jest prawie dziesięciokrotnie mniejsza od wartości prawdziwej, która wynosi h=6,626176⋅10-34 Js. Tak duży błąd spowodowany jest uchybami przyrządów pomiarowych (małe wartości prądu), niedokładnym wyznaczeniem napięcia hamującego oraz sumowaniem się błędów częstotliwości i napięcia. Wartość błędu stałej Plancka, obliczona z różniczki zupełnej, pokazuje, że stała jest wyznaczona z 95% błędem (co by umieszczało otrzymaną wartość w granicy błędu).

0x01 graphic

Z różniczki zupełnej:

0x01 graphic

np. R=2/(0,2)3⋅0,001=0,25 [1/m2]

0x01 graphic
, 0x01 graphic

np. I=15⋅0,5%/100%=0,075 [A]

δI=0,5%⋅15/7=1,07 [%]

I - błąd bezwzględny pomiaru prądu

δI - błąd względny pomiaru prądu

kl - klasa miernika

Z - zakres miernika (15A)

r = 1 [mm]

0x01 graphic
, 0x01 graphic

0x01 graphic
, 0x01 graphic

np. I=15⋅0,5%/100%=0,075 [A]

U=3⋅0,5%/100%=0,015 [V]

δI=0,5⋅15/0,63=11,9 [%]

dU=0,5⋅3/1,2=1,25 [%]

I - błąd bezwzględny pomiaru prądu

U - błąd bezwzględny pomiaru napięcia

δI, δU - błąd względny pomiaru

kl - klasa miernika

Z - zakres miernika

(V - 3; 7,5; 30; 75; 300; A - 15)

I - wartość zmierzona prądu

U - wartość zmierzona napięcia

0x01 graphic

0x01 graphic
, 0x01 graphic

0x01 graphic
, 0x01 graphic

np. I=15⋅0,5%/100%=0,075 [A]

U=3⋅0,5%/100%=0,015 [V]

δI=0,5⋅15/0,25=30 [%]

dU=0,5⋅3/1,1=1,36 [%]

I - błąd bezwzględny pomiaru prądu

U - błąd bezwzględny pomiaru napięcia

δI, δU - błąd względny pomiaru

kl - klasa miernika

Z - zakres miernika

I - wartość zmierzona prądu

U - wartość zmierzona napięcia

0x01 graphic

0x01 graphic
, 0x01 graphic

0x01 graphic
, 0x01 graphic

np. I=15⋅0,5%/100%=0,075 [A]

U=3⋅0,5%/100%=0,015 [V]

δI=0,5⋅15/0,25=30 [%]

dU=0,5⋅3/1,1=1,36 [%]

I - błąd bezwzględny pomiaru prądu

U - błąd bezwzględny pomiaru napięcia

δI, δU - błąd względny pomiaru

kl - klasa miernika

Z - zakres miernika

I - wartość zmierzona prądu

U - wartość zmierzona napięcia

0x01 graphic

0x01 graphic
, 0x01 graphic

np. I=10⋅2%/100%=0,2 [nA]

δI=2⋅10/2,3=8,696 [%]

z różniczki zupełnej:

 > 

I - błąd bezwzględny pomiaru prądu

δI - błąd względny pomiaru prądu

kl - klasa miernika

Z - zakres miernika (10; 30 nA)

I - wartość zmierzona prądu

 = 1 [nm]

0x01 graphic

0x01 graphic
, 0x01 graphic

0x01 graphic
, 0x01 graphic

np. I=1⋅2%/100%=0,02[nA]

U=1⋅0,5%/100%=0,005 [V]

δI=2⋅1/0,88=2,3 [%]

δU=0,5⋅1/0,1=5,0 [%]

I, U - błąd bezwzględny pomiaru

δI - błąd względny pomiaru prądu

δU - błąd względny pomiaru napięcia

kl - klasa miernika

Z - zakres miernika (1nA; 1 V)

I - wartość zmierzona prądu

U - wartość zmierzona napięcia

0x01 graphic
, 0x01 graphic

0x01 graphic
, 0x01 graphic

np. I=1⋅2%/100%=0,02[nA]

U=1⋅0,5%/100%=0,005 [V]

δI=2⋅1/0,12=16,67 [%]

dU=0,5⋅1/0,12=4,17 [%]

δI, δU - błąd względny pomiaru

I, U - błąd bezwzględny pomiaru

kl - klasa miernika

Z - zakres miernika

I - wartość zmierzona prądu

U - wartość zmierzona napięcia

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
91, cw.91 - Badanie zewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego, Zespół Szkół Elektronicznych
Cw 68 Badanie odwrotnego zjawis Nieznany
ćw 15 - badanie wiązki świetlnej, MIBM WIP PW, fizyka 2, laborki fiza(2), 29-Optyczna analiza widmow
Zjawisko fotoelektryczne, Studia, Semestr 1, Fizyka, Sprawozdania
Badanie zjawiska fotoelektrycznego i wyznaczanie stałej Plan
Badanie zjawiska fotoelektrycznego - Ania, Fizyka
Badanie zjawiska rezonansu elektromagnetycznego, Pwr MBM, Fizyka, sprawozdania vol I, sprawozdania c
ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE, Mechanika i Budowa Maszyn PWR MiBM, Semestr I, Fizyka, fiza
Badanie zjawiska fotoelektrycznego, Fizyka
fizyka220Wyznaczanie stałej Plancka i pracy wyjścia na podstawie zjawiska fotoelektrycznego, Nr ćw
sprawka fizyka, fizyka220Wyznaczanie stałej Plancka i pracy wyjścia na podstawie zjawiska fotoelektr
ćw@ Zjawisko fotoelek wew Wyznaczanie charakt oporu
Badanie zjawiska fotoelektrycznego
ćw 69 wewn zjawisko fotoelektr (2) doc
Badanie zjawiska fotoelektrycznego Ania (2)
Badanie zjawiska fotoelektrycznego (2)

więcej podobnych podstron